Часть 1

Контрольные вопросы

1.Опишите процессы, происходящие при образовании электроннодырочного перехода (ЭДП), и дайте объяснение этим процессам. Приведите примеры и разновидности ЭДП.

2.Расскажите о видах включения ЭДП и дайте краткое описание процессам в ЭДП.

3.Какими особенностями обладает несимметричный ЭДП?

4.Перечислите основные свойства ЭДП.

5.Как влияет температура на ВАХ ЭДП и чем это объясняется?

6.Какими внутренними емкостями характеризуется ЭДП, чем объясняется их наличие и как они влияют на работу ЭДП?

7.Дайте определение пробою ЭДП и назовите его основные виды.

8.Назовите основные условия создания перехода Шоттки и объясните принцип его работы.

9.Особенности материалов, в которых наблюдается тоннельный эффект. ВАХ и применение тоннельного эффекта.

10.Объясните принцип эффекта Холла.

Список использованных литературных источников

1.Жеребцов, И. П. Основы электроники. – 5-е изд., перераб. и доп. / И. П. Жеребцов. – Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ие, 1989. – 352 с. : ил.

2.Ткаченко, Ф. А. Техническая электроника : Учеб. пособие / Ф. А. Ткаченко. – Минск : Дизайн ПРО, 2000. – 352 c. : ил.

3.Шелестов, И. П. Радиолюбителям : полезные схемы. Кн. 5 / И. П. Шелестов. – М. : СОЛОН-Пресс, 2003. – 240 с. : ил.

4.http://platan.ru

5.М. Бараночников // «Радио». – 1994. – №№ 7, 8, 9.

6.Москатов, Е. А. Электронная техника / Е. А. Москатов. – Таган-

рог, 2004. – 121 с.

71

РАЗДЕЛ 3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Содержание раздела

Классификация полупроводниковых диодов по технологии изготовления, мощности, частоте и функциональному применению: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные диоды, диоды с накоплением заряда, диоды Шоттки, тоннельные и обращенные диоды. Принцип работы, характеристики, параметры, схемы включения. Система обозначения полупроводниковых диодов. Влияние температуры на ВАХ.

Методические указания

Полупроводниковые диоды [1, c. 47 – 78; 2, c. 79 – 90; 3, c. 40 – 55].

В результате изучения материала необходимо ознакомиться с назначением, классификацией и системой обозначений, устройством полупроводниковых диодов. Изучить ВАХ и статические параметры реальных диодов, обратив особое внимание на электрические и эксплутационные параметры, а также схемы включения диодов.

Вопросы для самопроверки

1.Дайте классификацию диодов по конструкции, технологии и их применению.

2.Нарисуйте ВАХ германиевого и кремниевого выпрямительных

диодов.

3.Параметры выпрямительных диодов.

4.Каковы конструктивные особенности выпрямительных, высокочастотных и сверхвысокочастотных диодов?

5.Параметры импульсных диодов.

6.Какие виды пробоев используются в стабилитронах?

7.Параметры стабилитрона.

8.От чего зависит напряжение стабилизации стабилитрона?

9.Нарисуйте схему включения стабилитрона. На чем основано его стабилизирующее действие?

10.Основные параметры варикапов.

11.При каком смещении перехода используются варикапы?

12.Что такое добротность варикапов? Чем она определяется? Ее физический смысл.

72

13.В чем заключается явление тоннельного эффекта? При каких условиях имеет место тоннельный механизм прохождения тока через p-n- переход?

14.Параметры тоннельного диода.

15.Что такое обращенный тоннельный диод?

16. .Приведите примеры тоннельных диодов.

17. .Какие требования предъявляются к конструкции СВЧ-диодов? Перечислите области применения СВЧ-диодов.

Рекомендуемая литература

1.Булычев, А. Л. Электронные приборы / А. Л. Булычев и др. – М. :

ЛайтЛтд, 2000. – 416 с. : ил.

2.Гусев, В. Г. Электроника : учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – М. :

Высш. шк., 1991. – 622 с. : ил.

3.Ткаченко, Ф. А. Техническая электроника : учеб. пособие / Ф. А. Ткаченко. – Минск : Дизайн ПРО, 2000. – 352 c. : ил.

Тема 4. Полупроводниковые приборы. Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов

Термины: классификация, система обозначений, УГО, конструк-

ция, плоскостные и точечные, микросплавные диоды, реальная и идеальная ВАХ диода, выпрямительные, универсальные, импульсные, высокочастотные, детекторные, смесительные, умножительные, параметрические, генераторные, тоннельные, обращенные диоды, стабилитроны, стабисторы, варикапы, диоды Ганна. Параметры диодов.

4.1.Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов

4.2.Конструкция полупроводниковых диодов

4.3.Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов

4.4.Выпрямительные диоды

4.5.Стабилитроны

4.6.Варикапы

4.7.Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды

73

4.1. Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в переходе. В диодах применяются электронно-дырочный переход, контакт металл – полупроводник, гетеропереход.

Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником: имеет два вывода и нелинейную ВАХ.

Классификация диодов производится по следующим признакам: 1. По конструкции:

-плоскостные диоды;

-точечные диоды;

-сплавные и микросплавные диоды. 2. По мощности:

-маломощные (Iпр. ср < 0,3 А) ;

-средней мощности;

-мощные (Iпр. ср > 10 А).

3. По частоте:

-низкочастотные;

-высокочастотные;

-СВЧ.

4. По функциональному назначению:

-выпрямительные диоды;

-импульсные диоды;

-стабилитроны;

-варикапы;

-светодиоды;

-тоннельные диоды

-другие.

Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:

-маркировка диодов;

-условное графическое обозначение (УГО) – обозначение на принципиальных электрических схемах.

Система обозначений полупроводниковых диодов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81, а силовых полупроводниковых

74

приборов – ГОСТ 20859.1-89. В основу системы обозначений положен бу- квенно-цифровой код.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) – подкласс приборов (функциональная группа), третий (цифра) – основные функциональные возможности прибора и порядковый номер разработки, четвертый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

По старому ГОСТу (до 1964 г.) все диоды обозначались буквой Д и цифрой, которая указывала на электрические параметры, находящиеся в справочнике. Новый ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4-х обозначений:

К	С	156	А
Г	Д	507	Б
I	II	III	IV

I – показывает материал полупроводника:

Г (1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия. II – тип полупроводникового диода:

Д – выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды; А – диоды СВЧ; С – стабилитроны; В – варикапы;

И – тоннельные диоды; Ф – фотодиоды; Л – светодиоды;

Ц – выпрямительные столбы и блоки.

III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам:

101…399 выпрямительные

Д401…499 ВЧ диоды

501…599 импульсные

IV – модификация диодов в данной (третьей) группе. Условно-графические обозначения на электрических схемах выполня-

ют согласно ГОСТ 2.730-73. Позиционное обозначение содержит буквы VD.

(На зарубежных схемах U(DIN) или D(ANSI).

На рис. 4.1 приведены условные графические обозначения диодов.

75

а б в г д е

ж

з

и

Рис. 4.1. Условные графические обозначения диодов:

а– выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные, универсальные и диоды Гана;

б– стабилитроны; в – варикапы; г – тоннельные диоды; д – диоды Шоттки;

е– светодиоды; ж – фотодиоды; з – выпрямительные блоки; и – обращенные диоды

4.2. Конструкция полупроводниковых диодов

Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой. Эта область характеризуется низкой концентрацией примеси (1014-1016 см -3) и высоко-

омна относительно р-эмиттера с высокой концетрацией примеси (более

1018 см -3).

Плоскостные диоды. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область р-типа проводимости и p-n-переход большой плоскости (отсюда название).

Вывод от р-области называется анодом, а вывод от n-области – като-

дом (рис. 4.2).

Акцепторная

примесь

база

кристаллодержатель

Рис. 4.2. Конструкция плоскостных диодов

Большая плоскость p-n-перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счет большой барьерной емкости они будут низкочастотными.

76

Точечные диоды

К базе точечного диода (рис. 4.3) подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через нее пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя р-область (рис. 4.4).

база

кристалодержатель

Рис. 4.3. Конструкция точечных диодов

Вольфрамовая игла

Область р-типа

Область n-типа

Рис. 4.4. Конструкция точечных диодов

Получается p-n-переход очень малой площади. За счет этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер).

Микросплавные диоды

Их получают путем сплавления микрокристаллов полупроводников р- и n- типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды плоскостные, а по своим параметрам – точечные.

Диффузионные диоды

Получают путем введения акцепторной или донорной примеси из газовой среды в глубь пластины n-типа или p-типа (рис. 4.5). Диффузионный p-n-переход плавный.

77

Рис. 4.5. Конструкция перехода, изготовленного по диффузионной технологии

Эпитаксиальные диоды

На полупроводниковой пластине p- типа из парогазовой смеси осаждают и наращивают слой полупроводника с донорной примесью n-типа (рис. 4.6). Получаемый тип перехода резкий.

Рис. 4.6. Конструкция перехода, полученного эпитаксиальным наращиванием

4.3. Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов

Рис. 4.7. Вольт-амперные характеристики диодов

78

Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к его выводам внешнего напряжения называется вольт-амперной характеристикой диода:

		æ	qU	ö	(4.1)
	I = I0	çe kT -1÷,
		è		ø

где UT = kT/q – температурный потенциал, равный 26 мВ при Т = 300 К; I0 – обратный ток насыщения.

Уравнение (4.1) называют теоретической или идеализированной ВАХ диода. В нем не учтено суммарное сопротивление базы, омических контактов и выводов диода rД. С учетом этого сопротивления реальная ВАХ диода имеет вид:

		æ	q(U −rд I )
I = I	0	çe	kT
		ç
		è

ö	(4.2)
-1÷.
÷
ø

Вольт-амперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехода: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольт-амперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет наклон, так как за счет возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда.

Определение параметров диодов по ВАХ показано на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Определение параметров диодов по ВАХ

∙Максимально допустимый прямой ток – I пр.mах.

∙Прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом

токе – Uпр.мах.

79

∙Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.мах. =

=(2/3 … 3/4) Uэл.проб.

∙Обратный ток при максимально допустимом обратном напряже-

нии – Iобр.мах.

∙ Прямое и обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратном напряжениях:

Rст.пр. = Uпр. ; Rст.обр. = Uобр. . Iпр. Iобр.

∙Прямое и обратное динамическое сопротивление диода:

R

=

Uпр. ;

inp

Inp

R

=

Uпр −U 'np

; R

=

Uобр

; R

=

Uобр −U 'обр

.

inp

iобр

iобр

Iобр − I 'обр

Iпр − I 'np

Iобр

4.4. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды преобразуют переменный ток в постоянный. В связи с этим к их емкости, быстродействию и стабильности параметров не предъявляется жестких требований. Основой выпрямительного диода является несимметричный р-n-переход с большой площадью поперечного сечения, которая необходима для получения большого прямого тока. Низкоомная область (обычно это p-область), имеющая большую концентрацию примесей, называется эмиттером, а высокоомная (обычно n-область) с малой концентрацией примесей – базой. Сопротивление базовой области у реальных диодов составляет единицы – десятки ом. Работа выпрямительных диодов основана на вентильных свойствах перехода.

Наибольшее применение нашли кремниевые, германиевые диоды с барьером Шоттки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры, – селеновые и титановые выпрямители.

Эквивалентная схема диода. С учетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот (рис. 4.9, в). В этом случае наряду с уже описанными элементами – дифференциальным сопротивлением (см. рис. 4.9, а) и емкостями диода (см. рис. 4.9, б) необходимо учесть омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (rоб.) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован значительно более сильно, чем база.

80